分布式儲能電站設(shè)計與安全防護(hù)

／國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司 吳志力 金強(qiáng) 李紅軍／

1 分布式儲能應(yīng)用模式

隨著電動汽車規(guī)模化發(fā)展，充電設(shè)施大量接入，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差逐漸增大，傳統(tǒng)發(fā)電端的有功調(diào)節(jié)手段難以完全滿足電網(wǎng)發(fā)展需要。同時，“雙碳”目標(biāo)下新能源的大規(guī)模接入所帶來的發(fā)電側(cè)隨機(jī)波動使電網(wǎng)源荷間的匹配難度增大，對電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力提出了更高的要求，在配電側(cè)，分布式電源與充電負(fù)荷等帶來的源荷匹配矛盾更加突出，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式難以協(xié)調(diào)發(fā)配用的時空差異。分布式儲能作為一種能量調(diào)節(jié)設(shè)備，日益受到重視，工程應(yīng)用的普及帶來儲能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。分布式儲能在配電側(cè)可以與分布式電源、公共電網(wǎng)、用戶負(fù)荷等匹配建設(shè)運(yùn)行，形成幾種典型的應(yīng)用模式。

1.1 分布式儲能參與分布式電源運(yùn)行調(diào)節(jié)

光伏、風(fēng)電等分布式電源具有隨機(jī)波動性，因此功率輸出難以精確預(yù)測并控制，如果不經(jīng)輔助的調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)安全運(yùn)行的約束下，部分時段存在棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，造成可再生資源的浪費(fèi)。分布式儲能與分布式電源聯(lián)合運(yùn)行，在發(fā)電功率大而系統(tǒng)需求小時將電量存儲，在發(fā)電功率降低而系統(tǒng)需求大時釋放電量，使發(fā)電特性與負(fù)荷需求匹配可以減少功率返送帶來的影響，也可以平抑發(fā)電側(cè)高頻波動，能夠有效提高配電網(wǎng)對分布式電源的消納能力。

1.2 分布式儲能參與負(fù)荷特性調(diào)節(jié)

電動汽車在配電網(wǎng)負(fù)荷高峰時的集中充電行為，易與傳統(tǒng)負(fù)荷高峰時段重疊，使負(fù)荷峰值進(jìn)一步增加，從而加重變壓器的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，可能導(dǎo)致變壓器、線路等設(shè)備設(shè)施重過載。通過擴(kuò)容變壓器等方式來解決高峰時段的重過載會產(chǎn)生較大的升級改造投資，而在非高峰負(fù)荷時段其設(shè)備負(fù)載率又不高，造成資產(chǎn)利用率低，降低運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。通過儲能的調(diào)節(jié)，可以改善電力負(fù)荷特性，削峰填谷，平抑尖峰負(fù)荷，緩解電網(wǎng)設(shè)備設(shè)施升級擴(kuò)容的要求，提高設(shè)備利用率。同時，利用分布式儲能平抑負(fù)荷峰谷也有利于降低線路損耗，提升電網(wǎng)運(yùn)行效率。

1.3 分布式儲能市場化運(yùn)行

在配電網(wǎng)分時電價差異顯著的地區(qū)，投資建設(shè)分布式儲能，利用分布式儲能的存儲作用，在配電網(wǎng)電價較低（負(fù)荷用電低谷）時購電存儲電能，在配電網(wǎng)電價較高（負(fù)荷用電高峰）時釋放電能獲得售電收益，實現(xiàn)儲能的盈利。用戶投資分布式儲能可以改善負(fù)荷需求特性，使用電與分時電價相適應(yīng)，以減少全天的電力消費(fèi)金額。在電網(wǎng)輔助服務(wù)價格政策不明確的條件下，對于大用戶仍然具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

2 分布式儲能電站設(shè)計

分布式儲能電站的設(shè)計包括站址選取、一次系統(tǒng)設(shè)計、二次系統(tǒng)設(shè)計、土建與環(huán)保等，經(jīng)過多年的工程實踐，目前已形成較為成熟的設(shè)計方案。

2.1 站址選擇

分布式儲能電站合理的站址選取，對儲能電站投資效益、安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。分布式儲能電站站址的選取應(yīng)綜合考慮工程周邊供電網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及發(fā)展，并兼顧電網(wǎng)安全、工程可行性、節(jié)約資源等方面要求，須嚴(yán)守儲能安全紅線，充分考慮對周邊輸變電設(shè)施等的安全影響，預(yù)留足夠的防火安全距離。由于儲能電站的特殊性，儲能電站不應(yīng)設(shè)在人員密集的地方，應(yīng)避開易燃易爆場所，綜合考慮污穢情況宜避開大氣嚴(yán)重污穢區(qū)及嚴(yán)重鹽霧區(qū)。站址應(yīng)有良好的地質(zhì)條件，避開斷層、滑坡、塌陷區(qū)、溶洞地帶、山區(qū)風(fēng)口和易發(fā)生滾石場所等不良地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域。

2.2 一次系統(tǒng)設(shè)計

分布式儲能電站一次系統(tǒng)設(shè)計主要包括主接線、電氣設(shè)備導(dǎo)體選擇、絕緣配合和過電壓保護(hù)等，是實現(xiàn)儲能穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。主接線可以采用雙分裂變壓器接四臺儲能變流器的方式，在技術(shù)上成熟可行，并可節(jié)省大量電器設(shè)備。電網(wǎng)側(cè)分布式儲能運(yùn)行可靠性要求較高，一般采用單母線分段接線，宜采用兩回以上并網(wǎng)線路。用戶側(cè)和分布式電源側(cè)分布式儲能電站容量較小，投入和切除較靈活，配電部分可根據(jù)需要采用單元接線、單母線接線或單母線分段接線。中壓開關(guān)柜推薦采用金屬鎧裝移開式開關(guān)柜，也可采用氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)柜。分布式儲能電站應(yīng)與所接入電網(wǎng)的接地形式相適應(yīng)。交流避雷器常靠近變壓器線路側(cè)套管安裝，以限制變壓器一次側(cè)過電壓和二次側(cè)過電壓。對于架空線路出線，易遭受雷擊等大氣過電壓侵襲，需要配置線路避雷器，以防止大氣過電壓侵入線路和開關(guān)柜。

2.3 二次系統(tǒng)設(shè)計

分布式儲能電站二次系統(tǒng)設(shè)計主要包括保護(hù)與調(diào)度自動化、通信等內(nèi)容，是實現(xiàn)儲能靈活調(diào)控的關(guān)鍵。由于分布式儲能可向電網(wǎng)輸出功率并參與電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)，保護(hù)與調(diào)度自動化可參考分布式電源的配置模式。例如，分布式儲能采用專線接入變電站或開關(guān)站10kV母線時，可在變電站或開關(guān)站側(cè)配置縱聯(lián)電流差動保護(hù)，并采用過電流保護(hù)作為后備保護(hù)；分布式儲能系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)管理要求納入地市或縣（區(qū)）公司調(diào)控運(yùn)行管理，上傳信息包括并網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)、并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、有功功率、無功功率和發(fā)電量，調(diào)控中心應(yīng)實時監(jiān)視運(yùn)行情況。通信系統(tǒng)因地制宜采用光纖通信、無線通信等通信方式，無線通信采用專網(wǎng)或GPRS、CDMA無線公網(wǎng)通信方式時需嚴(yán)格加密，當(dāng)有控制要求時，不得采用無線公網(wǎng)通信方式。

2.4 土建與環(huán)保

分布式儲能電站土建設(shè)計與變電站設(shè)計類似，遵循安全與經(jīng)濟(jì)原則，為儲能設(shè)備可靠運(yùn)行提供建筑基礎(chǔ)。目前，儲能電站建設(shè)形式分為全戶外式和半戶內(nèi)式兩種布置形式。儲能電池通常布置于預(yù)制艙內(nèi)部，當(dāng)配電設(shè)施、儲能變壓器、儲能變流器等設(shè)備布置于建筑物內(nèi)時為半戶內(nèi)式建設(shè)形式，當(dāng)配電設(shè)施、儲能變壓器、儲能變流器等設(shè)備全部布置于建筑物外時為全戶外式儲能電站。站內(nèi)道路宜采用環(huán)形道路，儲能電站大門宜面向站內(nèi)電氣主設(shè)備運(yùn)輸?shù)缆贰?/p>

現(xiàn)代社會對工業(yè)設(shè)施的環(huán)保要求越來越高，環(huán)保設(shè)計也占有越來越重要的地位。由于儲能變流器、變壓器、SVG等設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下會發(fā)出噪音，應(yīng)在設(shè)計及基建時采取降噪措施，同時為儲能設(shè)備產(chǎn)生的有毒、有害物質(zhì)提供排泄通道、收集與存儲空間。

3 分布式儲能電站安全防護(hù)技術(shù)

安全問題是制約儲能行業(yè)發(fā)展的主要難點(diǎn)之一，也是工程建設(shè)中需要特別注意的環(huán)節(jié)。近年來，國內(nèi)外發(fā)生多起儲能電站火災(zāi)或爆炸事件，造成極大的財產(chǎn)損失。目前，儲能電站行業(yè)尚未建立統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn)，缺乏健全可靠的安全措施。

3.1 儲能電站安全風(fēng)險

分布式儲能主要采用鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池等電化學(xué)儲能電池。鉛酸電池技術(shù)較成熟，安全級別高，但是能量密度較小，已不再是主流儲能電池；磷酸鐵鋰電池能量密度高、循環(huán)壽命長、充放電倍率高，是目前最廣泛使用的電池類型。磷酸鐵鋰電池穩(wěn)定性較好，但在制造工藝不達(dá)標(biāo)、運(yùn)行環(huán)境差、運(yùn)維手段低等情況下也存在安全隱患，由此造成火災(zāi)爆炸等將會給儲能電站設(shè)備及人身安全造成較大的威脅。

熱失控是造成儲能電池火災(zāi)的主要因素。以磷酸鐵鋰電池為例，其正極材料為磷酸鐵鋰，其化學(xué)屬性較穩(wěn)定，熱失控情況下磷酸鐵鋰在700～800℃時發(fā)生分解并可能發(fā)生燃燒。同時，鋰離子電池中的電解液是用有機(jī)溶劑配制而成，其易燃的程度不亞于汽油。正極的氧化劑和負(fù)極的還原劑只隔一層微米級厚的隔膜，內(nèi)部短路則劇烈生熱；正常的充放電時，電池內(nèi)阻也產(chǎn)生發(fā)熱。

電池單體（電芯）是構(gòu)成儲能電站的細(xì)胞，其性能的變化直接影響電站的運(yùn)行狀態(tài)。通常情況下，電芯單體應(yīng)具有嚴(yán)格的參數(shù)一致性和穩(wěn)定性，在正常的充放電過程中熱量積累速度不應(yīng)超過限值，熱量可經(jīng)過介質(zhì)及外殼傳導(dǎo)并使溫度限制在一定范圍內(nèi)，能夠保持安全穩(wěn)定。但是，電芯單體不可避免地存在差異，單體電芯之間的狀態(tài)差異主要包括單體初始差異和使用過程中產(chǎn)生的參數(shù)差異，電芯設(shè)計、制造、存儲以及使用過程中存在多種不可控制的因素，會影響電芯的一致性。電芯參數(shù)與性能的差異可能導(dǎo)致局部熱量過度積累而異常升溫，如不能及時發(fā)現(xiàn)將導(dǎo)致熱失控。

此外，電弧、雷電、過載、短路等故障或異常運(yùn)行狀態(tài)也可能導(dǎo)致熱量大量積累，在達(dá)到一定溫度時，正極上的氧化劑可與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，熱量進(jìn)一步加速積累造成熱失控，繼而發(fā)生燃燒、深度爆炸等事故。同時，電池因其化學(xué)燃燒屬性，采用常規(guī)的滅火器、水噴淋等手段難以抑制火勢蔓延。

圖1 儲能電站電池管理系統(tǒng)工作流程

3.2 安全防護(hù)原則與措施

分布式儲能安全設(shè)計以監(jiān)控電池狀態(tài)、抑制熱失控、快速隔離、限制事故范圍為主要原則，主要采用電池狀態(tài)監(jiān)控、熱失控預(yù)警、聯(lián)合消防等措施。

儲能電池狀態(tài)是安全運(yùn)行的重要指標(biāo)，電池管理系統(tǒng)主要針對儲能電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析，是儲能電站二次系統(tǒng)不可缺少的組成部分。電池管理系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器、控制器和信號傳輸線路等部分組成，主要功能包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計、充放電控制、均衡充電、熱量管理、安全管理和數(shù)據(jù)通信等，核心目的是保證儲能電池的運(yùn)行穩(wěn)定，防止過充過放，發(fā)現(xiàn)電池缺陷，異常狀態(tài)預(yù)警，使電池在適宜的區(qū)域內(nèi)安全工作，延長使用壽命。1套1MWh儲能單元電芯數(shù)量約為5000只左右，為了采集狀態(tài)信息需要布置多個傳感器與相應(yīng)的通信設(shè)備，當(dāng)儲能電站規(guī)模較大時，其數(shù)據(jù)采集、傳輸與分析處理量十分龐大，對系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力要求也較高。儲能電站電池管理流程如圖1所示。

磷酸鐵鋰電池發(fā)生火災(zāi)時可分為早期階段、可見煙階段、火焰階段和高熱階段。溫控失效情況通常持續(xù)一段時間后，電池模組達(dá)到一定溫度，才會發(fā)生電池冒煙現(xiàn)象，中間間隔溫升累積時間較長（數(shù)小時、半天或更長）。儲能電站多采用少人運(yùn)維、無人運(yùn)維運(yùn)行方式，對儲能電池異常狀態(tài)難以及時發(fā)現(xiàn)。為此，在儲能電站安全設(shè)計中加入儲能電池?zé)崾Э仡A(yù)警模塊，可有效提升少人、無人值守儲能電站的安全性。熱失控預(yù)警模塊通過傳感器將電池管理系統(tǒng)實時監(jiān)測到的電壓、電流、溫度等參考量逐步上傳，并通過上級管理單元進(jìn)行匯總、評估和仲裁；針對磷酸鐵鋰電池的燃燒屬性，采取氣體傳感器檢測可燃?xì)怏w（氫氣、甲烷、一氧化碳等）、煙霧等參數(shù)，在事故可見煙階段進(jìn)行預(yù)防檢測。當(dāng)電池溫度超過溫度閾值，或者檢測到可燃性氣體、煙氣時，上級管理單元將通過電池能量管理系統(tǒng)發(fā)出指令使系統(tǒng)停機(jī)，杜絕熱失控發(fā)生。

消防措施是限制儲能電站事故危害的最后保障。目前應(yīng)用于磷酸鐵鋰電池儲能電站的消防措施有氣體消防、水消防兩種。 水消防具體可分為水噴淋消防、細(xì)水霧消防、消火栓等不同的形式。不同消防設(shè)施在消防控制系統(tǒng)的控制下，協(xié)同完成儲能電站安全消防。分布式儲能整站消防系統(tǒng)如圖2所示。

氣體滅火主要采用七氟丙烷氣體滅火裝置。七氟丙烷是無色、無味、不導(dǎo)電、無二次污染的氣體，具有清潔、無毒、電絕緣性好、滅火效率高的特點(diǎn)，對儲能電池特別是電氣火災(zāi)有較好的滅火效果。七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)一般有管網(wǎng)式、柜式、懸掛式等幾種布置形式。管網(wǎng)式氣體滅火系統(tǒng)在每一個電池簇上方，都裝有一個探測器，一旦發(fā)生火災(zāi)，就能通過煙感和溫感探測器傳送信號到控制主機(jī)，啟動有管網(wǎng)七氟丙烷滅火系統(tǒng)，比較適合由多個集裝箱組合而成的儲能系統(tǒng)。柜式氣體滅火系統(tǒng)適用于內(nèi)部空間較充足的集裝箱式儲能系統(tǒng)，在設(shè)計儲能系統(tǒng)時，在集裝箱內(nèi)部的一側(cè)（通常是后方），預(yù)留一個柜式的空間放置消防設(shè)施。懸掛式氣體滅火系統(tǒng)有電磁型和定溫型兩種，定溫型適用于體積較小的單個集裝箱式儲能系統(tǒng)，電磁型適用于任何體積的集裝箱。

水消防主要對建筑物、戶外預(yù)制艙等火災(zāi)進(jìn)行滅火。細(xì)水霧主要針對預(yù)制艙發(fā)生的火災(zāi)，細(xì)水霧的滅火機(jī)理主要是表面冷卻、窒息、輻射熱阻隔和浸濕作用。由于細(xì)水霧霧滴直徑很小，相對同樣體積的水，其表面積劇增，從而加強(qiáng)了熱交換的效能，起到了非常好的降溫效果。細(xì)水霧吸收熱量后迅速被汽化，使得體積急劇膨脹，通常達(dá)到1700多倍，從而降低了空氣中的氧氣濃度，抑制了燃燒中的氧化反應(yīng)的速度，起到了窒息的作用。除此之外，細(xì)水霧還具有乳化等作用，在滅火過程中，同時產(chǎn)生幾種作用，從而有效滅火。建筑物火災(zāi)則采用傳統(tǒng)的高壓水噴淋方式滅火。

圖2 分布式儲能電站消防系統(tǒng)示意圖

4 展望

隨著儲能材料技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，必然帶來儲能本體性能提升和價格下降，儲能將更加經(jīng)濟(jì)，同時，在“雙碳”目標(biāo)激勵下，新能源發(fā)電規(guī)模逐步擴(kuò)大，分布式儲能對電網(wǎng)承載力提升將發(fā)揮更大的作用，儲能應(yīng)用也更加廣泛。分布式儲能運(yùn)行在配電網(wǎng)側(cè)，靠近生產(chǎn)和生活設(shè)施，其安全運(yùn)行與用戶的切身利益息息相關(guān)，必須給予充分的重視。在分布式儲能電站的設(shè)計、建設(shè)和運(yùn)行中，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，做好預(yù)防性設(shè)計，發(fā)揮監(jiān)控系統(tǒng)和消防措施的作用，利用數(shù)據(jù)分析與狀態(tài)評價及時發(fā)現(xiàn)缺陷、及時預(yù)警、及時處理，在發(fā)生事故時力求實現(xiàn)控制事故范圍、保障人身安全、減少經(jīng)濟(jì)損失。